ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С НЕЗАВИСИМОЙ КАЛИБРОВКОЙ Российский патент 2017 года по МПК G01R29/08 G01J5/20 G01K7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения плотности потока энергии электромагнитного излучения в миллиметровом (ММ) диапазоне длин волн. Устройство применимо в качестве образцового приемника для калибровки средств измерения.

Уровень техники

Известны болометрические приемники, которые, как правило, включают в себя средство поглощения излучения и преобразования его в теплопоглотитель, а также средство теплоизоляции термочувствительного элемента (ТЧЭ). Применительно к ММ диапазону длин волн подобные приемники используются в качестве регистраторов при относительных измерениях интенсивности излучения. Исследование технического уровня объектов техники не выявило устройств с возможностью проведения независимой калибровки (без использования эталонных средств излучения), позволяющих измерять плотность потока излучения в ММ диапазоне длин волн.

Известно устройство [Патент США US 6767129 В2; 27.07.2004] для регистрации мощности излучения в ММ диапазоне, включающее полупроводниковую подложку с сформированной на ней мембраной из нитрида или оксида кремния, из-под которой вытравлен материал подложки, а также поглотитель - принимающую излучение антенну с нагрузочным резистором, преобразующим электрический ток в тепло, и ТЧЭ - каскад термопар.

Недостаток устройства состоит в том, что оно не позволяет проводить независимое измерение плотности потока излучения, так как антенна по определению не может служить измерителем мощности, проходящей через элемент заданной площади. Данное устройство не является широкополосным, так как антенна поглощает излучение только в узкой полосе длин волн.

Раскрытие изобретения

Технический результат состоит в том, что предлагаемое устройство позволяет измерять плотность потока излучения в широком диапазоне длин волн ММ области спектра с повышенной точностью и заданным быстродействием без использования эталонных средств калибровки по излучению.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве на прямоугольной ненапряженной диэлектрической мембране с толщиной D и сторонами 2a_м и 2b_м сформирован тонкопленочный функциональный резистор (ТФР) площадью S=2a⋅2b (a<а_м, b<b_M) прямоугольной формы из Bi_1-xSb_x (0,10<x<0,12) толщиной d , одновременно выполняющий роль ТЧЭ и поглотителя излучения с максимальным коэффициентом поглощения А=0,5 в ММ диапазоне длин волн при условии, что толщина мембраны удовлетворяет соотношению

где λ - длина волны поглощаемого излучения, n - показатель преломления материала мембраны, δ - погрешность определения коэффициента поглощения в ММ диапазоне длин волн структуры, состоящей из диэлектрической мембраны с толщины D с нанесенной на нее пленкой из Bi_1-xSb_x толщиной d; а для независимости вольт-ваттной чувствительности от геометрических параметров и теплофизических свойств мембраны при заданном быстродействии необходимо выполнение условия

где χ₁ и χ₂ - температуропроводности воздуха и мембраны, соответственно, a L - параметр, возникающий при усреднении температуры по площади ТФР

,

где r²=(x-ξ)²+(y-η)²+z² при z→0 (координата z направлена перпендикулярно плоскости мембраны).

Экспериментально проверено, что при выполнении условия (1) при малом δ толщина мембраны вблизи максимума поглощения не оказывает влияния на коэффициент поглощения. Также проверено, что при выполнении условия (2) толщина мембраны не влияет на вольт-ваттную чувствительность предлагаемого устройства при заданном быстродействии.

В предлагаемом устройстве высокая теплоизоляция ТЧЭ, а также сравнительно высокий ТКС сплошной пленки из Bi_1-xSb_x, обычно характерный для монокристальных металлов, обеспечивают повышение вольт-ваттной чувствительности.

Так как в предлагаемом устройстве энергия, выделяемая при нагреве ТФР синусоидальным током, и энергия поглощаемого излучения приводят к одинаковому изменению температуры ТФР, следовательно - к одному и тому же отклику от ТФР, то при известном коэффициенте поглощения энергии излучения возможна независимая калибровка устройства по мощности синусоидальным электрическим током, которая позволяет обойтись без использования эталонных источников излучения.

Описание чертежей

На фиг. 1 (фиг. 1а - вид сбоку, фиг. 1б - вид сверху) показана конструкция предлагаемого устройства, где

1 - кремниевая подложка;

2 - мембрана;

3 - ТФР;

4 - контактные площадки.

Осуществление изобретения

Основой конструкции предлагаемого устройства является подложка 1 из монокристаллического кремния с ориентацией <100>, на поверхности которой сформирована многослойная ненапряженная диэлектрическая мембрана 2 прямоугольной формы из слоев Si₃N₄ и SiO₂, из-под которой методом анизотропного травления кремния удален материал подложки. На поверхности мембраны 2 методами термического напыления и фотолитографии сформирована площадка 3 из Bi_1-xSb_x (тонкопленочный резистор) и сформированы контактные площадки 4.

Устройство работает следующим образом.

Для измерения величины плотности потока излучения на ТФР подается питание в режиме генератора тока I₀. Температура ТФР изменяется пропорционально поглощаемой мощности излучения P=QSA, где Q - плотность потока излучения. В результате изменения температуры ΔT ТФР его сопротивление изменяется на величину ΔR=αΔTR₀, где α - ТКС ТФР, R₀ - сопротивление ТФР при рабочей температуре. При этом отклик устройства U=I₀ΔR.

Для определения вольт-ваттной чувствительности предлагаемое устройство было прокалибровано с помощью синусоидального тока.

Для проведения калибровки ТФР был соединен с входом встроенного генератора синхронного детектора Lock-in SR830 последовательно с балластным сопротивлением R_Б (R_Б/R₀>10), что обеспечивает работу источника питания в режиме генератора тока.

Генератор формирует синусоидальное напряжение с заданной амплитудой и частотой, в результате чего в цепи возникает синусоидальный ток, который нагревает ТФР. Циклическая частота питания ω была выбрана из условия ω<1/τ, где τ - время релаксации температуры ТФР.

В результате нагрева сопротивление ТФР изменяется, поэтому возникает дополнительное напряжение, амплитудное значение которого U_T определяется по формуле:

U_T=U₀αΔT,

где U₀ - амплитудное значение напряжения питания на ТФР.

Так как величина перегрева ТФР пропорциональна выделяемой на нем электрической мощности Р₀=U₀²/R₀, то U_T=U₀³αβ/R₀, где β - коэффициент пропорциональности между ΔT и P₀.

При синусоидальном питании sin³(ωt)=0,25(3sin(ωf)-sin(3ωt)). Тогда амплитуда третьей гармоники напряжения на ТЧЭ U₃ равна:

U₃=0,25U₀³αβ/R₀=0,25U_T.

Измерение величины U₃ позволяет определить вольт-ваттную чувствительность К₀=U_T/Р₀=4U₃/Р₀.

Для измерения мощности электромагнитного излучения в ММ диапазоне необходимо в режиме генератора тока сформировать на ТФР постоянное смещение, равное амплитудному значению напряжения питания U₀, установленному при калибровке. При известном коэффициенте поглощения излучения площадкой ТФР отклик устройства составляет

U=QSAK₀.

Следовательно, величина плотности потока излучения

Q=U/(SAK₀).

Изготовлено два макетных образца описанного измерительного приемника со следующими характеристиками:

1) S=0,3×0,3 см², R₀=247 Ом, D=1,5 мкм, А=0,5;

2) S=0,5×0,5 см², R₀=225 Ом, D=1,5 мкм, А=0,5.

Для определения коэффициента поглощения в едином технологическом цикле был изготовлен спутник-свидетель с соответствующими заданными для макетных образцов толщинами слоев.

При проведении независимой электрической калибровки первого образца синусоидальным током с амплитудой I₀=2,5 мА и циклической частотой ω=6 рад/с амплитудное значение мощности Р₀, выделяемой на ТФР, составило 1,54 мВт, а измеренное значение амплитуды отклика на третьей гармонике U₃=0,83 мВ, следовательно, его вольт-ваттная чувствительность K₀=2.2 В/Вт. Соответственно, для второго образца при I₀=2,5 мА, ω=2 рад/с, P₀=1,4 мВт амплитуда третьей гармоники U₃=2,3 мВ, а вольт-ваттная чувствительность - К₀=6.5 В/Вт.

Образцы были использованы для измерения мощности излучения на длине волны 2 мм при облучении генератором Г4-161. Для обоих образцов полученная оценка дала значение около 3 мВт, что по порядку величины соответствует паспортным данным на генератор.

Таким образом:

1 - применение в конструкции предлагаемого устройства площадки из Bi_1-xSb_x с известным коэффициентом поглощения излучения, выполняющей одновременно роль ТЧЭ и поглотителя, позволяет осуществлять независимую электрическую калибровку синусоидальным электрическим током и использовать предлагаемое устройство в качестве измерителя плотности потока излучения в ММ диапазоне;

2 - применение Bi_1-xSb_x в качестве материала широкополосного поглотителя на мембране обеспечивает слабую зависимость коэффициента поглощения от длины волны в области максимума поглощения и широкополосность предлагаемого измерительного устройства;

3 - формирование ТФР из Bi_1-xSb_x с высоким ТКС на мембране, обеспечивающей эффективную теплоизоляцию, повышает вольт-ваттную чувствительность предлагаемого устройства.

Устройство предназначено для измерения плотности потока энергии электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн и может быть также использовано в качестве образцового приемника для калибровки средств измерения. Приемник представляет собой тонкопленочный, с известным коэффициентом поглощения излучения, выполненный из полуметалла резистивный микроболометр, расположенный на тонкой мембране. Сущность изобретения заключается в том, что тонкопленочный резистивный элемент с известным коэффициентом поглощения и температурным коэффициентом сопротивления одновременно является термочувствительным элементом и поглотителем, что позволяет независимо калибровать устройство синусоидальным электрическим током для определения его вольт-ваттной чувствительности. Технический результат состоит в том, что предлагаемое устройство позволяет измерять плотность потока измерения в широком диапазоне длин волн ММ области спектра с повышенной чувствительностью и заданным быстродействием без применения эталонных средств калибровки по излучению. 1 ил.

Широкополосный измерительный приемник излучения миллиметрового диапазона с независимой калибровкой болометрического типа, включающий тонкопленочный функциональный резистор, одновременно являющийся термочувствительным элементом и поглотителем электромагнитной энергии, отличающийся тем, что тонкопленочный функциональный резистор из материала Bi_1-xSb_x прямоугольной формы со сторонами 2а и 2b, где а, b>λ, сформирован на ненапряженной прозрачной в миллиметровом диапазоне диэлектрической мембране прямоугольной формы с толщиной D, причем 4nD/λ<δ^1/2, где λ - длина волны поглощаемого излучения, n - показатель преломления материала мембраны, δ - погрешность определения коэффициента поглощения излучения в миллиметровом диапазоне длин волн структуры мембрана-тонкопленочный резистор; толщина тонкопленочного функционального резистора удовлетворяет условию его максимального коэффициента поглощения, а геометрические и теплофизические параметры мембраны должны быть выбраны из условия L²/χ₁>D²/χ₂, где χ₁ и χ₂ - температуропроводности воздуха и мембраны, соответственно, а характерный размер L тонкопленочного функционального резистора определяется по формуле:

.